一种用于红层泥岩干湿循环浸水面微细观结构演化观测的实验装置及试验方法

本发明涉及岩石力学与工程中软岩微观结构分析，具体涉及一种用于红层泥岩在控制含水率干湿循环条件下浸水面微细观结构演化规律原位观测的实验装置及方法，适用于红层泥岩等水敏性软岩在水-岩相互作用下的细观结构劣化机理研究。

背景技术：

1、红层泥岩具有遇水易崩解、膨胀和软化的特殊性质，受自然气候和地下水位波动的影响，边坡或地基多处于干湿循环交替作用的状态，而干湿循环作用是导致红层泥岩强度损伤和结构劣化的重要原因。因此，开展干湿循环条件下红层泥岩微观结构改变、强度劣化规律研究，对于保障岩石工程的稳定与运营安全具有重要的理论价值和实践意义。

2、目前，为探究干湿循环作用下岩石微观结构劣化规律，通常采用显微镜获得不同干湿循环次数作用后岩石微观图像并进行处理分析。然而，现有技术方案存在以下不足：

3、（1）难以实现同点位原位观测：受限于试验条件，不同干湿循环次数作用后的微观图像往往从不同岩样上获取，岩石作为典型的非均质材料，从不同岩样上得到的显微图像不能排除试样离散性的影响，难以真实反映干湿循环对岩石微观结构的影响。即使在同一个岩样上获得干湿循环作用前后的微观图像，多采用干湿循环作用前观察一次、作用后再观察一次的方法，难以对同一位置进行干湿循环作用前后的原位对比。

4、（2）注水方式缺乏精确定量控制：现有试验多采用人工倾倒或简单滴管注水方式，存在流量波动大、落点偏移、表面扰动等问题，难以保证各循环试验条件的一致性和试验结果的可重复性。注水位置的一致性对于原位观测同一区域的形貌演化至关重要。

5、（3）注水与观测环节割裂：传统试验方案中，注水操作与显微观测通常分步进行，难以捕捉注水后试样表面细观形貌的瞬时动态响应过程，尤其对于“花环状锯齿光晕”（以下简称“c-m光晕”）等短暂出现的动态现象难以完整记录其出现、演化和消失全过程。

6、（4）缺少多设备联动的综合表征方案：现有装置多仅配备单一观测设备，难以同时获取试样表面的二维形貌、三维形貌及成分分布等多维度信息，限制了微细观结构演化规律的系统性表征。

7、针对上述问题，本发明提供一种集成了蠕动泵精密定量注水、高倍显微实时成像、体视显微观测、三维形貌扫描及微区成分分析的一体化实验装置及方法，可实现红层泥岩在控制含水率干湿循环过程中浸水面微细观结构演化的高精度原位观测。

技术实现思路

1、本发明的旨在解决现有红层泥岩干湿循环微观结构观测技术中难以实现同点位原位观测、注水控制精度低、注水与观测环节割裂、多维度信息难以同步获取的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于红层泥岩干湿循环浸水面微细观结构演化观测的实验装置，包括恒温恒湿环境箱、透明试样盒，置于恒温恒湿环境箱内的三维精密载物台、高倍原位显微摄像装置、体视显微摄像装置及置于恒温恒湿环境箱外的定量注水组件；所述三维精密载物台固定在所述在恒温恒湿环境箱的腔室内底板上；所述透明试样盒放置在三维精密载物台的顶部；所述高倍原位显微摄像装置、体视显微摄像装置位于所述透明试样盒的上方；

3、所述定量注水组件通过一端穿入恒温恒湿环境箱内的输水硅胶管连接，实现给所述透明试样盒内定量注水。

4、进一步地，高倍原位显微摄像装置为100倍高倍数码显微镜，且配备有环形led冷光源。

5、进一步地，100倍高倍数码显微镜的视场范围为毫米级，用于捕捉待测试块表面的“花环状锯齿光晕”图案的细观形貌及演化全过程。

6、进一步地，体视显微摄像装置为体视显微镜，配备同轴照明和环形照明双模式光源，用于在更大视场范围内观察和记录待测试块浸水面的宏观形貌变化及光晕图案的空间分布特征，放大倍数范围为10倍～100倍。

7、进一步地，体视显微镜配置有ccd摄像机，用以与计算机连接，实现图像采集与录像功能。

8、进一步地，定量注水组件包括蠕动泵、纯水供应容器和供水硅胶管；供水硅胶管的一端与所述蠕动泵的入水口固定连接，另一端插入纯水容器的腔室内液面以下。

9、进一步地，恒温恒湿环境箱内固定一微调支架，位于所述三维精密载物台一侧，对输水硅胶管进行定位。

10、进一步地，透明试样盒的底部设置标记线或定位刻度，用于辅助识别放置在其中的待测试块的放置方位和观测区域。

11、一种利用用于红层泥岩干湿循环浸水面微细观结构演化观测的实验装置进行红层泥岩干湿循环浸水面微细观结构演化观测的试验方法，包括以下步骤：

12、步骤一、试块准备与初始观测：将备好的红层泥岩试块置于试样盒中，再将该试样盒固定于三维精密载物台上，调节三维精密载物台使红层泥岩试块的待观测面的中心对准高倍原位显微摄像装置，高倍原位显微摄像装置拍摄获取初始细观图像并记录位置坐标；

13、步骤二、控制含水率干湿循环试验：通过蠕动泵精密定量注水装置在红层泥岩试块表面固定位置注入定量纯水，同时启动高倍原位显微摄像装置连续拍摄，记录红层泥岩试块的浸水面细观形貌及光晕图案的演化全过程，光晕出现区域及裂缝发育区域的三维形貌数据，直至红层泥岩试块的表面干燥，完成一次注水-干燥操作，重复该注水-干燥操作若干次至红层泥岩试块被完全浸湿；

14、风干后称量至质量恢复至初始值的98%以上时，完成一次干湿循环；

15、重复上述流程至预设的干湿循环次数；

16、步骤三、试验后形貌与成分分析：完成预设次数干湿循环后，利用dic三维激光测试系统对红层泥岩试块表面标记区域进行三维形貌扫描，取标记区域样品经喷金处理后置于扫描电子显微镜-能谱分析仪联用系统sem-eds下进行微区化学成分分析；

17、步骤四、数据对比分析：将初始细观图像、干湿循环试验获取的三维形貌数据和成分分析获取的化学成分数据进行对比分析，定量表征红层泥岩试块浸水面的微细观结构演化规律。

18、步骤二中所述重复注水操作若干次为3次，完成前两次注水-干燥操作后进行第三次注水观测，若观察到透明试样盒底部出现液滴，则表明试块完全浸湿。

19、本发明与现有技术相比，具有以下显著的有益效果：

20、（1）同点位原位观测能力：通过三维精密载物台的定位标记和坐标记录功能，配合体视显微镜对观测区域的空间定位，本发明能够确保干湿循环各阶段对试块表面同一位置的显微成像，有效避免了因试样离散性导致的观测误差，真实反映干湿循环对微观结构的累积影响。

21、（2）注水精度与一致性显著提升：采用蠕动泵精密定量注水装置替代传统人工倾倒方式，单次注水量控制精度达±0.1 ml，注水位置通过微调支架固定，避免了人工操作导致的流量波动、落点偏移及表面扰动，保障了各循环试验条件的一致性和结果的可重复性。

22、（3）注水-观测无缝衔接：注水与显微成像可同步启动，实现了“定量给水—原位成像”的无缝衔接，能够完整捕捉注水后试块表面细观形貌的瞬时动态响应，特别是“c-m光晕”（即“花环状锯齿光晕”）等短暂动态现象从出现到消失的全过程记录，而现有技术只能获取干湿循环前后的静态图像。

23、（4）多维度信息融合表征：本发明集成高倍显微成像、体视显微观测、三维激光形貌扫描和sem-eds微区成分分析四种表征手段，实现了从二维形貌到三维形貌、从宏观到微观、从物理形态到化学成分的多维度信息获取，弥补了单一观测手段信息不足的缺陷。

24、（5）试验方法系统规范：本发明提供了从试块准备、干湿循环操作到多模式检测的完整试验流程，特别设计了在预定循环次数中观察第三次注水的方案，有效排除了单次注水偶然效应，更精准地反映干湿循环累积作用下的微观结构响应特征，为软岩微观劣化行为的精细表征提供了新的技术途径。